專利名稱：基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明表面測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種應(yīng)用于亞埃級(jí)超光滑透明表面的高精度測試系統(tǒng)，屬光學(xué)檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在激光陀螺的研制生產(chǎn)過程中，超光滑基片是極其重要的，它是制作高質(zhì)量高反鏡的基礎(chǔ)。目前，為了滿足高精度激光陀螺研制生產(chǎn)的需要，經(jīng)過超拋的熔石英或微晶玻璃基片的表面均方根粗糙度(RMS)已經(jīng)做到了小于1A，甚至達(dá)到了 0.6 A (原子力顯微鏡測量數(shù)據(jù))，這幾乎是目前所有高級(jí)表面測試儀器的測試極限，對超光滑基片表面的測試和挑選具有極大的挑戰(zhàn)性。鑒于激光陀螺對反射鏡表面粗糙度的嚴(yán)苛要求以及反射鏡表面粗糙度與散射的直接關(guān)系，在激光陀螺反射鏡的加工過程中常采用光散射法對超光滑基片表面進(jìn)行檢測。相對于其他的表面測試系統(tǒng)，利用光散射法對超光滑表面的測量具有速度快，測試面積大，費(fèi)用低廉，簡單易操作等特點(diǎn)。但是，由于散射光的強(qiáng)度本身較弱，一方面不容易被精確探測，另一方面也容易受到外界的干擾，導(dǎo)致引入較大的測量誤差。所以，最大限度的抑制外界噪聲，精確高效地測量基片的表面粗糙度一直都是人們關(guān)注的一個(gè)難點(diǎn)問題。對于高精度激光陀螺研制生產(chǎn)過程中使用的透明基片來說，當(dāng)光入射到基片上時(shí)，其表面微觀起伏會(huì)引起光的散射，稱為表面散射；同時(shí)，其內(nèi)部折射率的起伏也會(huì)產(chǎn)生光的散射，稱為基片的體散射。由于需要檢測的基片表面非常光滑，表面散射非常微弱，如果伴隨有基片的體散射，將導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映基片表面的微觀結(jié)構(gòu)信息，甚至可能發(fā)生表面散射完全被體散射淹沒的情況。所以對于亞埃級(jí)超光滑透明基片來說，如何有效抑制體散射的影響，獨(dú)立有效測量基片的表面散射將是一個(gè)亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用光的偏振特性消除透明基片體散射，獨(dú)立有效的測量基片的表面散射，借此來表征亞埃級(jí)超光滑表面的微觀結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)解決方案是
一種基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑表面測試系統(tǒng)，由光源系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，樣品臺(tái)系統(tǒng)，光電檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)五個(gè)部分組成。利用散射光的偏振特性從原理上完全消除體散射，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有效抑制外界噪聲，保證測試系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)的重復(fù)測試精度(1)全剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)；(2)精確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制；(3)高效率的光電探測裝置；(4)精確可控且重復(fù)性高的偏振方向調(diào)節(jié)；(5)高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析顯不系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是從原理上完全消除基片體散射對表面散射測試的影響，可以最大限度的抑制體散射；采用雙小孔光闌作為微分散射的探測前端，抑制雜散光等噪聲對探測精度的影響；在增加系統(tǒng)成本較少的前提下，極大的提高了測量系統(tǒng)的精度；采用全剛性聯(lián)接安裝方式，消除了儀器相對位置變動(dòng)帶來的測試誤差；系統(tǒng)使用獨(dú)立控制，協(xié)同合作的方式，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高。


圖1為系統(tǒng)測量原理示意圖。圖2為測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.光源；2，8.小孔光闌；3.起偏器；4.基片；5，6.轉(zhuǎn)臺(tái)；7.光吸收器；9.檢偏器；10.光電探測系統(tǒng)；11.數(shù)據(jù)分析及顯示系統(tǒng)圖3為轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中A.光學(xué)平臺(tái)；Bi，B2.轉(zhuǎn)臺(tái)固定板；Cl，C2.結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的轉(zhuǎn)臺(tái)；D.樣品支撐柱；E.測量系統(tǒng)延伸板
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。對亞埃級(jí)超光滑透明基片表面進(jìn)行光學(xué)檢測時(shí)，基片的表面散射和體散射的微分散射功率會(huì)耦合在一起，從而導(dǎo)致測試的表面散射數(shù)據(jù)不能完全真實(shí)的反映基片表面的微觀形貌特征。相關(guān)研究表明，對于散射平面位于入射平面內(nèi)的情況，表面散射和體散射光的
偏振方向在s-p平面內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出一定的夾角，如圖1所示，設(shè)表面散射光的偏振方向與P軸夾角為α ,體散射光^as的偏振方向與P軸的夾角為於，兩者之差。想要消除體散射對表面散射的影響，選擇具有高消光比的偏振片的透光方向與馬@垂直，理論上來說，體散射被完全消除，此時(shí)在偏振片后接收到的微分散射為^^在偏振片透光方向的投影，測
量到的微分散射功率為P5 =A) Sm2爐，即為表面散射的微分散射功率的大小。所以，此測量
系統(tǒng)在原理上具有非常高的可行性和靈活性。測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由光源發(fā)出的非偏振光經(jīng)過起偏器后成為線偏振光，以一定的角度入射到基片上，被基片散射，此時(shí)的散射光既包含基片的表面散射也包含體散射，再經(jīng)過檢偏器的選擇后被光電探測器接收，最終將基片的表面散射的微分散射功率顯示出來。圖2中小孔光闌的作用主要式為了消除外界的雜散光；轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高精度的相互獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，保證光的入射角和散射角可以精確且相對獨(dú)立的變化；偏振片的偏振方向也必須可以獨(dú)立精確控制，保證其在S-P偏振面內(nèi)可任意選擇偏振方向。為了獲得基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測試系統(tǒng)，需要完成以下工作
1.全剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)
在亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測試系統(tǒng)中，所有部件都采用剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，保證各個(gè)部分的相對位置保持恒定不變，消除這些可變因素對散射光微分散射功率的影響。做到最大限度消除機(jī)械設(shè)計(jì)帶來的測量誤差。2.相互獨(dú)立且高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)
如圖3所示，C1、C2兩個(gè)完全相同的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)同軸疊放，且分別用步進(jìn)電機(jī)控制，Cl 通過樣品支撐柱D與基片聯(lián)接，可自由改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌龋籆2通過與測量系統(tǒng)的延伸板E的剛性聯(lián)接，可以獨(dú)立改變探測器的接受方向，即散射光的散射角方向。3.精確的偏振角度控制系統(tǒng)由于起偏器和檢偏器的偏振方向是決定整個(gè)系統(tǒng)精度的最重要的部件，所以其偏振角度必須由高精度的角度控制器(電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái))來固定。通過控制起偏器和檢偏器的偏振角度選擇，消除基片的體散射，測量其表面散射的大小。4.高消光比的起偏器和檢偏器
原理上來說，只有偏振方向與起偏器和檢偏器的偏振方向一致的光才能透過起偏器和檢偏器，此時(shí)的測量系統(tǒng)精度最高，性能最好。實(shí)際使用過程中，偏振片對垂直于其偏振方向的光線不可能做到完全消光，所以在系統(tǒng)中選擇消光比非常高的起偏器和檢偏器，可以減少測試系統(tǒng)的誤差。5.高效的雜散光隔離系統(tǒng)
由于亞埃級(jí)超光滑表面的表面散射約為IO"8量級(jí)，即便只有非常微弱的雜散光進(jìn)入光電探測器，基片的表面散射會(huì)淹沒在噪聲中，導(dǎo)致無法有效測量出表面散射的大小。圖2中的小孔光闌最主要的作用就是消除雜散光，另一方面，整個(gè)測量系統(tǒng)需要放置在暗室或者外加光隔離罩的環(huán)境內(nèi)。6.高穩(wěn)定性的同軸運(yùn)轉(zhuǎn)
本發(fā)明基于微分散射的一階近似理論，從原理上來說，其同軸性必須達(dá)到以下方面 (1)散射平面必須位于入射面內(nèi)；(2)超光滑表面必須與散射平面垂直；(3)散射光的傳播必須在散射面內(nèi)。基于上述要求，本發(fā)明在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中必須具有很高的同軸性，在圖2中必須做到(1)整個(gè)光路的轉(zhuǎn)播平面與光學(xué)平臺(tái)平行；(2)起偏器和檢偏器必須位于s-p平面內(nèi)；(3)兩個(gè)同心轉(zhuǎn)臺(tái)及樣品支撐柱必須同軸放置，其轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于光學(xué)平臺(tái)；(4)透明基片的表面必須與轉(zhuǎn)臺(tái)的中軸線重合放置；(5)轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中必須圍繞其中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。以上5個(gè)方面的同軸性在測量系統(tǒng)運(yùn)行的過程中必須穩(wěn)定，不能發(fā)生大的偏離。
權(quán)利要求
1.一種基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征是高精度、穩(wěn)定的測試超光滑表面的微觀結(jié)構(gòu)信息。通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)全剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)。在亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)中，所有部件都采用剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，保證各個(gè)部分的相對位置保持恒定不變，消除這些可變因素對散射光微分散射的影響。(2)相互獨(dú)立且高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)做到分別獨(dú)立控制，可以選在在任意的入射角和散射角方向?qū)Τ饣砻娴奈⒎稚⑸涔β蔬M(jìn)行測量。(3)精確的偏振角度控制系統(tǒng)。通過控制起偏器和檢偏器的偏振角度選擇，消除基片的體散射，測量其表面散射的大小。偏振角度的選擇必須做到高精度、連續(xù)變化，能夠在任意偏振角度測量其微分散射功率。(4)高穩(wěn)定性的同軸運(yùn)轉(zhuǎn)。測量系統(tǒng)在運(yùn)行過程中要做到(1)整個(gè)光路的轉(zhuǎn)播平面與光學(xué)平臺(tái)平行；( 起偏器和檢偏器必須位于s-p平面內(nèi)；(3)兩個(gè)同心轉(zhuǎn)臺(tái)及樣品支撐柱必須同軸放置，其轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于光學(xué)平臺(tái)；(4)基片表面必須與轉(zhuǎn)臺(tái)的中軸線重合；(5)轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中必須圍繞其中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征在于運(yùn)用一階微分散射理論，從原理上完全消除透明基片體散射對表面散射的影響，獨(dú)立有效地測試基片表面散射。
3.如權(quán)利要求1所述的基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)臺(tái)、檢偏器、光電探測系統(tǒng)相對于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為全剛性聯(lián)接方式。
4.如權(quán)利要求1所述的基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征在于可以在不同的入射角和散射角方向?qū)Τ饣砻婊M(jìn)行微分散射檢測。
5.如權(quán)利要求1所述的基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征在于兩個(gè)相同的轉(zhuǎn)臺(tái)同軸水平疊放，轉(zhuǎn)臺(tái)采用獨(dú)立自由運(yùn)轉(zhuǎn)方式，可以進(jìn)行多角度，大范圍測量。
6.如權(quán)利要求1所述的基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，其特征在于測試樣品通過樣品支撐柱與轉(zhuǎn)臺(tái)同軸固聯(lián)，避免了使用樣品延伸臂而導(dǎo)致系統(tǒng)易翻倒的問題。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微分散射的亞埃級(jí)超光滑透明基片表面測量系統(tǒng)，由光源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、樣品臺(tái)系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)五個(gè)部分組成。在如圖所示的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)中，各個(gè)部分均采用全剛性聯(lián)接，采用標(biāo)準(zhǔn)緊固螺釘將精密轉(zhuǎn)臺(tái)C1、C2固定在光學(xué)平臺(tái)A上，并將檢偏器、光電探測器等通過測量系統(tǒng)延伸板E固聯(lián)在精密轉(zhuǎn)臺(tái)C2上。利用偏振干涉原理，以一階微擾微分散射理論為指導(dǎo)，通過選擇合適的起偏方向和檢偏方向來消除基片的體散射，高效獨(dú)立測量亞埃級(jí)超光滑透明基片表面的微觀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能為高精度激光陀螺研制和生產(chǎn)中使用的熔石英或微晶玻璃基片進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的篩選，同時(shí)提供了一種超光滑透明基片表面測試的通用方法。
文檔編號(hào)G01B11/30GK102253004SQ201110110198
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者楊開勇, 趙云, 龍興武 申請人:楊開勇, 趙云, 龍興武